胡猛,梁爽,張光明,常逢文,楊榮山
聚四氟乙烯膠墊配套WJ-7型扣件縱向阻力特性研究
胡猛,梁爽,張光明,常逢文,楊榮山
(西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031)
為得到采用聚四氟乙烯膠墊的WJ-7型扣件縱向阻力特性,在不同工況下對扣件縱向阻力進(jìn)行試驗(yàn)測試,并建立橋上CRTSI型板式無砟軌道無縫線路計(jì)算模型,分析采用聚四氟乙烯膠墊扣件系統(tǒng)在橋上無縫線路的使用性能。研究結(jié)果表明:對比普通膠墊,WJ-7型扣件采用聚四氟乙烯膠墊可以顯著降低扣件縱向阻力,但容易發(fā)生膠墊竄出現(xiàn)象,將聚四氟乙烯膠墊與普通膠墊作黏結(jié)處理后對其縱向阻力影響很??;扣件縱向阻力隨聚四氟乙烯膠墊厚度增大而減??;軌底作除銹處理對采用普通軌下膠墊與復(fù)合膠墊的扣件系統(tǒng)縱向阻力影響較大,對采用聚四氟乙烯膠墊扣件系統(tǒng)縱向阻力影響很?。慌c采用復(fù)合膠墊相比,扣件系統(tǒng)采用聚四氟乙烯膠墊時(shí)鋼軌附加力及縱向位移會略微增大,當(dāng)膠墊竄出時(shí),在橋端2塊軌道板采用聚四氟乙烯膠墊可明顯減小鋼軌附加力及縱向位移,并顯著降低凸型擋臺承受的縱向力。
WJ-7型扣件;無砟軌道;聚四氟乙烯膠墊;無縫線路
我國高速鐵路橋上無砟軌道主要采用WJ-7型小阻力扣件[1],WJ-7型小阻力扣件一般通過在普通軌下墊板上壓制一塊鋼板起到降低扣件縱向阻力的作用?,F(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),小阻力扣件在長期使用過程中復(fù)合墊板中的鋼板易發(fā)生磨損并生銹[2],從而不能起到降低扣件縱向阻力的作用,并且橋端兩側(cè)軌道板小阻力扣件易發(fā)生膠墊竄出現(xiàn)象[3],當(dāng)膠墊竄出后扣件縱向阻力會明顯增大,導(dǎo)致下部基礎(chǔ)承受更大的縱向力作用,這與小阻力扣件設(shè)計(jì)狀態(tài)存在明顯差異。由此可見,良好的軌下膠墊材料是扣件保持正常工作性能的重要保障,而聚四氟乙烯材料具有極低的摩擦因數(shù)與較好的耐溫耐磨性能,可以很好的解決上述問題。Pooley等[4-5]研究發(fā)現(xiàn)聚四氟乙烯材料在摩擦過程中會形成一層沿摩擦方向排列的分子薄膜,進(jìn)而導(dǎo)致其摩擦阻力很低。Tanaka等[6]進(jìn)行了聚四氟乙烯材料高溫試驗(yàn)研究,表明當(dāng)溫度在聚四氟乙烯材料的晶熔點(diǎn)(380 ℃)以下時(shí),材料的摩擦因數(shù)與磨損率基本不變。陳戰(zhàn) 等[7]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)聚四氟乙烯材料的摩擦因數(shù)及磨損率隨磨損時(shí)間的增長而降低并最后趨于穩(wěn)定??梢娪镁鬯姆蚁┎牧现谱鞯哪z墊具有摩阻力低、耐磨等性質(zhì),適用于橋上無砟軌道無縫線路小阻力扣件的要求。而現(xiàn)有文獻(xiàn)中,聚四氟乙烯膠墊在無砟軌道扣件系統(tǒng)中應(yīng)用較少[8],同時(shí)也鮮有聚四氟乙烯膠墊在無砟軌道無縫線路中的適用性研究。因此開展采用聚四氟乙烯膠墊的WJ-7型扣件縱向阻力特性試驗(yàn)及其在橋上無縫線路使用性能的相關(guān)研究非常必要。本文通過室內(nèi)試驗(yàn)測定聚四氟乙烯膠墊配套WJ-7型扣件使用時(shí)的荷載–位移曲線,明確其縱向阻力特性。并在此基礎(chǔ)上,通過建立橋上CRTSI型板式無砟軌道無縫線路有限元模型,分析聚四氟乙烯膠墊配套WJ-7型扣件使用時(shí)軌道結(jié)構(gòu)的受力與變形特性。該研究成果可為聚四氟乙烯膠墊的研發(fā)與使用提供試驗(yàn)與理論依據(jù)。
WJ-7型扣件主要由彈條、軌距塊、軌下墊板、軌下調(diào)高墊板等組成,如圖1所示,我國路基上WJ-7型扣件一般采用普通墊板及W1型彈條,橋上WJ-7型扣件一般采用復(fù)合墊板及X2型彈條[9],橋上無砟軌道無縫線路主要通過扣件系統(tǒng)傳遞線路縱向力,通過在橋上鋪設(shè)小阻力扣件能夠有效的緩解梁軌相互作用[10]。本試驗(yàn)通過測定不同工況下普通膠墊、復(fù)合膠墊、聚四氟乙烯膠墊配套WJ-7型扣件使用時(shí)扣件縱向阻力,進(jìn)行對比分析從而得出采用聚四氟乙烯膠墊WJ-7型小阻力扣件的縱向阻力特性,為聚四氟乙烯膠墊研發(fā)與使用提供試驗(yàn) 依據(jù)。
圖1 WJ-7型扣件
本次試驗(yàn)設(shè)備為長度為0.625 m的鋼軌、軌下墊板(復(fù)合膠墊、聚四氟乙烯膠墊、普通軌下膠墊)、液壓千斤頂、百分表及扭力扳手,其中聚四氟乙烯膠墊如圖2所示。
圖2 聚四氟乙烯膠墊
為分析采用聚四氟乙烯膠墊WJ-7型扣件縱向阻力特性,本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了5種工況:工況1為3種不同軌下墊板扣件縱向阻力測試,工況2為不同厚度聚四氟乙烯膠墊的扣件縱向阻力測試,工況3為鋼軌除銹前后縱向阻力測試,工況4為無軌距擋塊與軌下膠墊涂黃油時(shí)扣件縱向阻力測試,工況5為膠墊竄出時(shí)扣件縱向阻力測試。
按照EN13146-1:2002《鐵路應(yīng)用–軌道–扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法–第1部分:縱向阻力測定》規(guī)范進(jìn)行扣件縱向阻力測試,將鋼軌與扣件用扭矩扳手安裝在試驗(yàn)臺上,其中彈條的安裝扭矩為100 N·m,錨固螺栓安裝扭矩為300 N·m,扣件安裝于鋼軌中間位置,鋼軌一側(cè)設(shè)置百分表測定鋼軌位移,另一側(cè)設(shè)置液壓千斤頂,整個(gè)試驗(yàn)工裝如圖3所示。
按照規(guī)范要求以10±5 kN/min速度對鋼軌一側(cè)持續(xù)施加2.5±0.3 kN拉伸荷載30 s,當(dāng)鋼軌開始在扣件系統(tǒng)中滑動時(shí),迅速將荷載減至0,繼續(xù)測量鋼軌位移2 min,然后重復(fù)上述加載/卸載過程4次,每次卸載后保持3 min。繪制每次循環(huán)的力?鋼軌位移曲線。
圖3 試驗(yàn)工裝
根據(jù)上述要求對鋼軌一側(cè)進(jìn)行加載,繪制如圖4所示的荷載?位移曲線。
圖中D1表示每次加載鋼軌的最大縱向位移,D2表示卸載后鋼軌的殘余縱向位移。D3表示鋼軌發(fā)生滑移前的彈性縱向位移(D3=D1?D2),D3對應(yīng)的荷載為所測量單組扣件的縱向阻力。依據(jù)規(guī)范要求舍去第一次測試數(shù)據(jù),對其余3次試驗(yàn)測試的扣件縱向阻力取平均值得到扣件的縱向阻力。本文后續(xù)章節(jié)中扣件縱向阻力均為3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平 均值。
圖4 扣件縱向力-位移示意圖
在扭矩為100 N·m條件下,對采用聚四氟乙烯復(fù)合膠墊、復(fù)合膠墊與普通墊板WJ-7型的扣件縱向阻力進(jìn)行測試,結(jié)果如圖5所示,并且依據(jù)規(guī)范要求對試驗(yàn)測得3組數(shù)據(jù)取平均值,如表1所示。
表1 扣件縱向阻力3次試驗(yàn)測試平均值
圖5 不同膠墊對應(yīng)扣件系統(tǒng)縱向阻力
由圖5及表1可知,當(dāng)扣件系統(tǒng)采用聚四氟乙烯膠墊時(shí),扣件的縱向阻力較復(fù)合墊板有所增大,但與普通膠墊相比,可以明顯起到降低縱向阻力的作用。當(dāng)扣件配套聚四氟乙烯膠墊、復(fù)合膠墊與普通膠墊時(shí),對鋼軌施加縱向力,扣件的彈塑性臨界位移分別為0.38,0.52和1.31 mm,可見在加載過程中,聚四氟乙烯膠墊很容易竄出,因此需要將其黏結(jié)于普通膠墊上,此時(shí)扣件縱向阻力如圖6所示。
當(dāng)聚四氟乙烯膠墊與普通膠墊作黏結(jié)處理后,扣件的彈塑性臨界位移增大到0.5 mm,而其縱向阻力為6.4 kN/mm,較未作黏結(jié)處理時(shí)大0.2 kN/mm,可見將聚四氟乙烯膠墊與普通膠墊作黏結(jié)處理對扣件縱向阻力影響很小。
圖6 膠墊作黏結(jié)處理后扣件力-位移曲線
考慮到在普通膠墊上加裝聚四氟乙烯膠墊時(shí)膠墊厚度對扣件系統(tǒng)縱向阻力的影響,本次試驗(yàn)分別測試了在普通膠墊上加裝厚度為0.5,0.75和1 mm聚四氟乙烯膠墊時(shí)扣件力?位移曲線,如圖7 所示。
由圖7可知,當(dāng)聚四氟乙烯膠墊厚度分別為0.5,0.75和1 mm時(shí),扣件系統(tǒng)的阻力分別為7.019,6.759和6.006 kN/mm,隨著膠墊厚度的增加,扣件的縱向阻力有所減小。
考慮到鋼軌底部生銹對扣件縱向阻力會產(chǎn)生影響,因此本次試驗(yàn)對鋼軌軌底進(jìn)行了除銹處理,并測定了鋼軌除銹前后扣件的縱向阻力。此時(shí),不同膠墊對應(yīng)扣件的縱向阻力如圖8所示。
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圖7 膠墊厚度對扣件縱向阻力的影響
圖8 軌底除銹后扣件縱向阻力
由圖8可見,當(dāng)鋼軌作除銹處理后,3種軌下膠墊對應(yīng)的扣件縱向阻力都有所提高,這是由于鋼軌經(jīng)過除銹處理后增大了鋼軌底部與膠墊的接觸面積,進(jìn)而導(dǎo)致鋼軌與膠墊之間的摩擦力更大,其中普通軌下膠墊縱向阻力提升最大,而由于聚四氟乙烯膠墊具有極低的摩擦因數(shù),其對應(yīng)扣件縱向阻力在除銹前后差別不大。
WJ-7型扣件縱向阻力主要由扣件扣壓力、鋼軌與膠墊的摩擦力以及軌距塊與鋼軌的之間摩擦力構(gòu)成,為分析以上各部分在扣件縱向阻力中的比重,本次試驗(yàn)測定了3種不同膠墊配套WJ-7型扣件無軌距擋塊以及膠墊上涂抹黃油時(shí)縱向阻力,結(jié)果如表2所示。
表2 扣件系統(tǒng)縱向阻力
當(dāng)軌下膠墊涂抹黃油時(shí),可近似認(rèn)為試驗(yàn)測定的扣件縱向阻力由彈條扣壓力以及軌距擋塊與鋼軌之間摩擦力組成,與此同時(shí)也可近似認(rèn)為本次試驗(yàn)測定的無軌距擋塊時(shí)扣件縱向阻力由彈條扣壓力及軌下膠墊摩擦力組成。因而可得到采用3種不同膠墊時(shí)扣件的縱向阻力組成,如圖9所示。
圖9 扣件系統(tǒng)縱向阻力構(gòu)成
由圖9可知,WJ-7型扣件縱向力所受膠墊與鋼軌之間摩擦力影響更大。對比發(fā)現(xiàn),3種不同膠墊中普通膠墊與鋼軌摩擦力在扣件系統(tǒng)縱向力所占比重最大,此外由于路基地段扣件采用W1型彈條,而橋梁地段采用X2型彈條,其扣壓力所占縱向阻力比重較聚四氟乙烯膠墊與復(fù)合膠墊要大。軌距擋塊所占比重較小,對扣件縱向阻力影響不大。聚四氟乙烯膠墊與復(fù)合膠墊配套扣件使用時(shí)縱向阻力構(gòu)成差別不大,而從現(xiàn)場調(diào)研情況發(fā)現(xiàn),復(fù)合膠墊采用的不銹鋼在外界長期環(huán)境作用下容易發(fā)生銹蝕現(xiàn)象,而聚四氟乙烯膠墊由于本身材料性質(zhì)不會發(fā)生這種情況,可見聚四氟乙烯膠墊具有良好的適用性。
橋上CRTSI型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、WJ-7型小阻力扣件、軌道板、CA砂漿、混凝土底座板、凸型擋臺等組成。本文以3×32 m簡支梁為例,分析聚四氟乙烯膠墊配套WJ-7型扣件在無縫線路中使用性能。
基于大型有限元分析軟件ANSYS建立橋上CRTSI型板式無砟軌道無縫線路模型,鋼軌選用梁單元模擬,按照實(shí)際截面形狀進(jìn)行建模;扣件系統(tǒng)采用非線性彈簧單元模擬,扣件縱向剛度根據(jù)本文第2節(jié)試驗(yàn)測定數(shù)據(jù)選用;軌道板、底座板與CA砂漿采用實(shí)體單元模擬,其中32 m簡支梁橋上設(shè)置2塊長度為3.685 m與5塊長度為4.962 m的軌道板;軌道板與CA砂漿之間的摩阻力采用線性彈簧單元模擬,參考文獻(xiàn)[11]取單位長度摩阻力為6.3 kN/m;橋梁采用實(shí)體單元模擬,其線膨脹系數(shù)取1×10?5/℃,簡支梁橋墩采用線性彈簧單元模擬,其縱向剛度參考文獻(xiàn)[12]取800 kN/cm;凸型擋臺彈性樹脂層采用線性彈簧單元模擬,其縱向剛度參考文獻(xiàn)[13]取80 kN/mm;簡支梁橋無砟軌道無縫線路有限元模型如圖10所示。
圖10 無砟軌道無縫線路有限元計(jì)算模型
為驗(yàn)證模型的可靠性與準(zhǔn)確性,利用本文所建立的簡支梁橋CRTSI型板式無砟軌道無縫線路有限元計(jì)算模型與文獻(xiàn)[14]所建立的有限元模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。在相同溫度荷載及扣件縱向阻力條件下,鋼軌縱向附加力的計(jì)算結(jié)果如圖11所示。圖中鋼軌坐標(biāo)表示距簡支梁固定支座橋臺的距離。鋼軌縱向力計(jì)算結(jié)果最大值對比如表3所示。
圖11 鋼軌附加力
表3 鋼軌附加力最大值
我國《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》認(rèn)為無砟軌道因扣件阻力較大,并不能像有砟軌道一樣在列車通過時(shí)釋放梁軌作用力,出于安全考慮并參考國外應(yīng)用情況,用橋梁年溫差作為主要設(shè)計(jì)荷載取值,建議鋪設(shè)混凝土無砟軌道的混凝土橋梁溫差采用30 ℃。
在橋梁整體降溫30 ℃條件下,當(dāng)橋上小阻力扣件按設(shè)計(jì)狀態(tài)工作時(shí)(未出現(xiàn)墊板竄出現(xiàn)象),WJ-7型扣件系統(tǒng)采用不同膠墊對應(yīng)的鋼軌附加力及縱向位移如圖12所示。
根據(jù)圖12,當(dāng)采用復(fù)合膠墊時(shí),3跨32 m簡支梁橋上鋼軌附加力及鋼軌縱向位移最大值為176 kN與2.1 mm,與復(fù)合膠墊相比,橋上無砟軌道無縫線路WJ-7型小阻力扣件配套聚四氟乙烯膠墊使用時(shí)鋼軌附加力及縱向位移會略微增大,此時(shí)鋼軌附加力與縱向位移最大值達(dá)到221 kN和2.4 mm。
圖12 扣件按設(shè)計(jì)狀態(tài)工作時(shí)鋼軌附加力及位移
經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),橋上CRTSI型板式無砟軌道橋端兩側(cè)半圓形凸臺容易產(chǎn)生裂紋,并且凸臺產(chǎn)生裂紋處總是伴隨小阻力扣件復(fù)合墊板竄出現(xiàn)象,此時(shí)扣件阻力會顯著增大,對無縫線路縱向附加力產(chǎn)生很大影響。為測試膠墊竄出對扣件縱向阻力的影響,本次試驗(yàn)用AB膠將復(fù)合膠墊及聚四氟乙烯膠墊與鋼軌黏接來模擬復(fù)合墊板竄出現(xiàn)象,當(dāng)小阻力扣件未按設(shè)計(jì)狀態(tài)工作時(shí),此時(shí)扣件阻力如圖13所示,可見由于聚四氟乙烯膠墊摩擦因數(shù)較低,當(dāng)聚四氟乙烯膠墊竄出后的扣件縱向阻力較復(fù)合墊板要小的多。
當(dāng)小阻力扣件未按設(shè)計(jì)狀態(tài)工作時(shí)(小阻力扣件復(fù)合膠墊竄出),在整體降溫30 ℃情況下,橋上無砟軌道梁端兩側(cè)軌道板扣件系統(tǒng)分別采用聚四氟乙烯膠墊與復(fù)合膠墊對應(yīng)鋼軌附加力及縱向位移如圖14所示。
圖13 膠墊竄出后扣件荷載?位移曲線
圖14 膠墊竄出后鋼軌附加力及位移
計(jì)算結(jié)果表明:在溫度荷載作用下,若橋端小阻力扣件復(fù)合膠墊竄出,鋼軌附加力由176 kN增大到250 kN,鋼軌縱向位移由2.1 mm增大到2.6 mm,而此時(shí)若橋梁梁端2塊軌道板扣件系統(tǒng)采用聚四氟乙烯膠墊并假定膠墊竄出,3跨32 m簡支梁橋鋼軌附加力及縱向位移最大值降低到211 kN和2.4 mm,可見,橋端兩塊軌道板小阻力扣件采用聚四氟乙烯膠墊可緩解由于膠墊竄出導(dǎo)致鋼軌附加力及縱向位移過大的現(xiàn)象。同時(shí),橋活動端凸型擋臺所受縱向力隨扣件失效個(gè)數(shù)變化如圖15所示,不難發(fā)現(xiàn),橋端凸型擋臺所受縱向力隨扣件失效個(gè)數(shù)的增大而增大,這是由于膠墊竄出后導(dǎo)致扣件縱向阻力增大所造成的,而由于聚四氟乙烯膠墊較小的摩擦因數(shù),橋端兩側(cè)軌道板扣件系統(tǒng)采用聚四氟乙烯膠墊可明顯的起到降低凸型擋臺所承受的縱向力作用,防止由于縱向力過大而引起凸臺產(chǎn)生裂紋。
圖15 凸型擋臺所受縱向力
1) 3種膠墊配套WJ-7型扣件使用時(shí),復(fù)合膠墊對應(yīng)扣件的縱向阻力最小,為5.7 kN/mm,聚四氟乙烯膠墊對應(yīng)扣件的縱向阻力次之,為6.2 kN/mm,普通膠墊對應(yīng)扣件的縱向阻力最大,為14.5 kN/mm。雖然WJ-7型扣件采用聚四氟乙烯膠墊較復(fù)合膠墊阻力略大,但在外界環(huán)境作用下復(fù)合膠墊不銹鋼容易生銹磨損,對比而言,聚四氟乙烯膠墊可很好的解決此問題,更具有適用性。
2) 在加載過程中,聚四氟乙烯膠墊比較容易竄出,將聚四氟乙烯膠墊與普通膠墊作黏結(jié)處理后對其縱向阻力影響較小,約為6.4 kN/mm。
3) 隨著聚四氟乙烯膠墊厚度的增大,扣件縱向阻力有所減??;鋼軌作除銹處理后對采用復(fù)合膠墊與普通膠墊的扣件影響較大,對采用聚四氟乙烯膠墊扣件縱向阻力影響較小。
4) 當(dāng)小阻力扣件按設(shè)計(jì)狀態(tài)工作時(shí),若橋上無砟軌道無縫線路WJ-7型扣件采用聚四氟乙烯膠墊時(shí)鋼軌附加力及縱向位移會略微增大。當(dāng)小阻力扣件未按設(shè)計(jì)狀態(tài)工作時(shí),若橋梁兩端軌道板扣件系統(tǒng)采用聚四氟乙烯膠墊,可緩解由于膠墊竄出導(dǎo)致鋼軌附加力及縱向位移過大的現(xiàn)象,并且大大減小凸型擋臺所受縱向力,防止凸臺產(chǎn)生裂紋。
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Study on longitudinal resistance characteristics of WJ-7 fastener system with PTFE pads
HU Meng, LIANG Shuang, ZHANG Guangming, CHANG Fengwen, YANG Rongshan
(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)
In order to obtain the longitudinal resistance characteristics of WJ-7 fastener system with Polytetrafluoroethylene (PTFE) Pads, the longitudinal resistance of fastener was tested under different working conditions, and the calculation model for continuous welded rails (CWR) of CRTSI slab ballastless track on bridge was established to analyze the performance of fastener system with PTFE pads using in CWR on bridge. The results showed as follows: Compared with the ordinary pads, the longitudinal resistance of WJ-7 fastener can be significantly reduced by using PTFE pads while the pads are prone to pull out, and longitudinal resistance of WJ-7 fastener is slightly affected when bonding the PTFE pads with the ordinary pads. The longitudinal resistance of fastener decreases with the increase of PTFE pads thickness. The rust removal treatment of the rail bottom has a great impact on the longitudinal resistance of the fastener system with the ordinary pads or the composite pads, and has little influence on the longitudinal resistance of the fastener system with PTFE pads. Compared with the composite pads, the additional force and longitudinal displacement of rail will increase slightly when the PTFE pads is used in fastener system. When the pads pull out, the PTFE pads using on both sides of bridge endtwotrack slab can significantly reduce the additional force and longitudinal displacement of rail, and greatly reduce the longitudinal force of convex retaining platform.
WJ-7 fastener system; ballastless track; polytetrafluoroethylene (PTFE) pads; continuous welded rail
U213.5
A
1672 ? 7029(2020)04 ? 0858 ? 08
10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190578
2019?06?29
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51778543)
楊榮山(1975?),男,河北容城人,教授,博士,從事輪軌系統(tǒng)動力學(xué)與高速重載軌道研究;E?mail:yrs@swjtu.edu.cn
(編輯 涂鵬)